Componenti per orologi resistenti all'usura tramite stampante 3D

• Cosa serviva: componenti per orologi meccanici
• Metodo di produzione: estrusione dei filamenti (FDM)
• Requisiti: elevata resistenza all'abrasione, buone proprietà meccaniche, precisione dei dettagli
• Materiale: iglidur I150
• Settore: produzione di modellini
• Successo per il cliente: maggiore resistenza all'usura, durata d'esercizio dei componenti notevolmente superiore, funzionamento più regolare dello scappamento (e quindi dell'intero orologio)

Panoramica applicazione:
Nell'ambito del progetto Jugend Forscht, Kai Schmidt-Brauns ha realizzato un orologio con stampa interamente 3D, mettendo a confronto la curva di profilo calcolata matematicamente del meccanismo di scappamento dell'orologio con una curva di profilo determinata empiricamente. Per testare ogni curva di profilo, Kai ha stampato un orologio meccanico basato sul proprio modello matematico. Oltre agli esperimenti sui componenti in PLA tradizionale, Schmidt-Brauns ha testato varie curve di profilo con i componenti in tribofilamento iglidur I150. I risultati hanno confermato il miglior rendimento dello scappamento realizzato in materiale igus. Grazie al filamento tribologicamente ottimizzato, i componenti sottoposti a carichi meccanici particolarmente elevati hanno raggiunto una durata di esercizio significativamente maggiore e una corsa più regolare rispetto alle parti prodotte in PLA convenzionale.
 

Orologio meccanico visto da davanti: l'energia è immagazzinata nel meccanismo di carica

Problema da risolvere

Per garantire un funzionamento preciso dell'orologio meccanico, la geometria di tutti i componenti del meccanismo deve essere determinata con precisione e l'attrito tra le parti in movimento deve essere ridotto al minimo. Obiettivo di Kai Schmidt-Brauns era progettare un meccanismo di scappamento per l'orologeria stampabile in 3D e successivamente determinarne la geometria con un modello matematico. Anche se il modello matematico ha regolarizzato il movimento dell'orologio, ci si è chiesti se ci fossero altri metodi per aumentare la precisione dell'orologio. Inoltre, nei test con componenti in stampa 3D in PLA tradizionale, le parti sottoposte a forti sollecitazioni, come il meccanismo d'arresto (costituito da ingranaggio e nottolino d'arresto) nel sistema di carica, non hanno avuto una durata particolarmente lunga.

Soluzione

In seguito ai test con il meccanismo a orologeria in PLA tradizionale, Kai Schmidt-Brauns ha sostituito i componenti critici con campioni stampati tramite il tribofilamento igus iglidur I150. Nel confronto era evidente che l'attrito statico e scorrevole tra i componenti realizzati in iglidur I150 risulta significativamente ridotto. Inoltre, grazie all'elevata resistenza all'usura del materiale igus, è possibile aumentare la durata del meccanismo di arresto, nonché garantire un movimento più regolare dello scappamento.

Orologio preciso realizzato completamente tramite stampante 3D

Jugend Forscht è un concorso tedesco rivolto a giovani ricercatori dalla quarta elementare fino all'età di 21 anni. I partecipanti possono elaborare e inviare problemi a propria scelta nei campi della matematica, dell'informatica e delle scienze naturali. Nell'ambito di questa competizione, Kai Schmidt-Brauns di Wolfsburg ha creato per la prima volta un modello matematico per determinare la geometria esatta dei componenti di un meccanismo di scappamento stampabile in 3D. Il processo ha interessato in particolare la curva del profilo della ruota profilata, calcolata in base a parametri ben precisi. Il meccanismo di scappamento determina la precisione dell'orologio. Infatti, questo meccanismo "inibisce" gli ingranaggi a intervalli regolari, ad esempio tramite una forcella di ancoraggio, assicurando che un minuto dell'orologio corrisponda esattamente a 60 secondi e non duri a volte 61 e a volte 55. Nella fase successiva del progetto, Kai Schmidt-Brauns ha confrontato la curva del profilo calcolata con una curva di profilo determinata empiricamente. Così ha scoperto che il movimento con la curva di profilo calcolata aveva un ritmo più regolare rispetto alla curva di profilo determinata empiricamente.

Vista posteriore dell'orologio meccanico: all'estrema sinistra si trova la ruota profilata che necessita di un calcolo esatto della curva di profilo

Movimento più preciso con iglidur I150

Oltre a confrontare la formula matematica e la curva di profilo determinata empiricamente, Kai Schmidt-Brauns ha testato scappamenti con materiale diverso. La scelta è caduta sul tribofilamento iglidur I150. Con una temperatura del letto di 40° C, una velocità di stampa di 30 mm/s con un'altezza dello strato di 0,1 mm e una temperatura dell'estrusore di 250° C, i risultati migliori ottenuti dallo studente sono stati con il filamento igus. Rispetto al PLA tradizionale, Kai ha rilevato uno scappamento molto più regolare durante una corsa di prova. Oltre ai risultati rilevati per lo scappamento, il filamento tribologicamente ottimizzato è stato in grado di fornire un miglioramento dei componenti fortemente sollecitati grazie all'elevata resistenza all'usura. Il nottolino del meccanismo di arresto (vedi immagine), posizionato nel meccanismo di carico dell'orologio, necessitava di sostituzioni molto più frequenti con il PLA tradizionale rispetto che con iglidur I150. Inoltre, attraverso i test con una molla a spirale stampata con iglidur I150, lo studente ha riscontrato una maggiore robustezza e flessibilità rispetto al modello in PLA tradizionale.

Il meccanismo di arresto in iglidur I150 è composto da un ingranaggio e da un nottolino di arresto

Tribofilamenti igus per una maggiore durata delle applicazioni

Oltre a iglidur I150, igus offre molti altri filamenti tribologicamente ottimizzati per la stampa 3D. Tutte le soluzioni hanno in comune l'elevata resistenza all'abrasione per applicazioni di scorrimento. iglidur I150 è lavorabile con estrema semplicità, come i filamenti in PLA e PETG. Nel test di usura del laboratorio interno igus, i tribofilamenti igus garantiscono un funzionamento 50 volte superiore rispetto a plastiche tradizionali come PLA e ABS (vedere immagine). Inoltre il prodotto è conforme al Regolamento UE 10/2011 ed è quindi idoneo per applicazioni nel settore alimentare e dell'imballaggio. Grazie alla semplicità di lavorazione, il filamento è indicato anche a stampatori principianti. Il servizio di stampa 3D è disponibile in qualsiasi momento con un tempo di consegna di 1-3 giorni qualora sia necessaria l'assistenza di un esperto.

Test di usura iglidur I150: asse Y = tasso di usura [μm/km] 1. iglidur I150 2. iglidur I180 3. PLA 4. ABS parametri di prova (movimento lineare): v = 0,1m/s; p = 1MPa; materiali dell'albero: acciaio temprato (Cf53/1.1213) e acciaio inossidabile (V2A/1.4301)